황과 질소가 도핑된 기능성 그래핀 저비용 합성법이 개발됐다. 이차전지와 연료전지 등의 제조에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
성영은 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 그룹리더팀은 황과 질소가 도핑된 그래핀을 저비용으로 합성하는 기술을 개발하고, 이를 이차전지 및 연료전지에 적용하면 고성능 전극을 제조할 수 있다고 9일 밝혔다.
이차전지와 연료전지는 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 이차전지는 에너지 및 출력 밀도를 충족시킬 새로운 전극 개발이 필요하고 연료전지는 값비싼 백금촉매를 대체할 전극 개발이 절실한 상황이다.
이번 기술은 황과 질소가 도핑된 그래핀 대량 생산은 물론이고 친환경적이고 경제적인 공정이라는 점에서 의미가 있다. 특히 이차전지 성능 향상과 연료전지 비용 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 기대를 모은다.
연구진은 가성소다와 헤테로원자가 함유된 유기용매를 사용해 용매열합성법으로 황과 질소가 도핑된 그래핀을 합성하고, 이를 리튬이온전지 전극에 적용해 성능을 실험했다. 연구진이 개발한 도핑 그래핀은 황과 질소의 도핑 함유량이 높으며 비표면적이 넓은 장점을 가지고 있다. 리튬이온전지 전극 물질에 적용한 결과 리튬이온이 이동하는 거리를 단축시킬 수 있어 출력이 우수하다는 사실을 밝혔다.
또 지금까지 리튬이온전지에 사용돼 온 탄소(흑연)의 이론용량보다 더 높은 용량을 보였고, 충전·방전 실험에서도 용량퇴화가 없는 높은 안정성을 가졌다. 연료전지 환원극에 적용했을 때도 값비싼 백금 촉매에 버금가는 성능을 보였다.
성영은 그룹리더는 “도핑 그래핀 합성기술은 황, 질소 외에 불소, 붕소, 인 등 다양한 헤테로원자에 적용할 수 있다”며 “연료전지, 리튬이차전지, 센서, 반도체 등 넓은 분야에 신소재로 활용될 가능성을 갖고 있다”고 말했다. 이어 “앞으로 다양한 형태의 탄소소재 제조 및 새로운 응용가능성을 탐구하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연구는 미래부 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행했고, 연구 성과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’ 10일자 온라인에 게재됐다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
